專利名稱：用于凝聚光輻射的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學裝置，尤其涉及用于凝聚光輻射的聚光器領域。根據本發明的主題制造的聚光器可以用于利用凝聚的光輻射的所有技術領域。它可以用于光譜范圍從紫外到紅外的光輻射。
本領域公知的太陽能聚光器的一個例子利用了全息圖和棱鏡或平板；參見例如授予Afian等人的美國專利No.4,863,224。然而，這種太陽能聚光器需要對準太陽，并且不提供任何被動式太陽跟蹤能力。
本領域中還公知的一種集光裝置包括全息圖和全反射表面，用于收集單一入射角處的單色光；參見例如授予Ando等人的美國專利No.5,268,985。然而，Ando等人采用了單個入射角和單一波長，因此需要跟蹤裝置，并且不能利用整個太陽光譜。
現有技術中公知的另一種聚光器是電磁波聚能器；例如參見授予Tremblay的美國專利No.4,505,264。電磁波聚能器多層介質導板凝聚電磁能量。該發明的缺點是在導板中有大量反射損耗，而在一些比較經濟的實施例中吸收損耗高。該發明還具有光學上難以制造的問題，因而制造成本高。
公開日為1999年3月2日，授予本發明者的美國專利5,877,874披露了一種用于凝聚太陽輻射的裝置，它采用了全息平面聚光器(HPC)來收集和凝聚光輻射。HPC包括一個平面的、高透明平板和安裝在其表面上的至少一個多重復用(multiplexed)全息光學薄膜。該多重復用全息光學薄膜中已經記錄了多個具有一或多個角度和光譜復用區域的衍射結構。可以將兩個或多個區域構造成提供空間復用。對于尋找對該發明改進的預定目的來說，該專利給出的教導在一定程度上是有用的，本發明代表了這種改進。
存在對這樣一種太陽能聚光器的需要，其能夠減小太陽輻射凝聚過程中的能量損耗并且利用了大部分太陽光譜，同時減小或消除了跟蹤要求。
本發明的另一目的在于減少或消除太陽能聚光器的跟蹤要求。
本發明的再一目的在于簡化太陽能聚光器的設計和制造。
本發明的又一目的在于提供一種聚光器，其可以按照所需的應用來設計該聚光器的光譜選擇性。這里公開的每一個應用具有獨特的光譜要求，以便更有效地工作。
本發明的又一目的在于提供一種太陽能聚光器，該聚光器在聚光照明系統中作為UV和IR光的被動式濾光裝置。
通過考慮附圖和隨后的描述，本發明的其它目的和優點將變得顯而易見。
根據本發明，提供了一種用于收集和凝聚光輻射的全息平面聚光器。該全息平面聚光器包括(a)至少一個高透明平板，(b)至少一個設置在它的一個表面上以形成光導結構的多重復用全息光學薄膜，以及(c)至少一個固定在該多重復用全息光學薄膜下面與太陽輻射的入射相反的一側的光生伏打電池。每個光生伏打電池通過至少一個這種全息光學薄膜來限定橫向邊界。另外，可以沿Z(垂直)方向形成多個(至少兩個)這種薄膜。
多重復用全息光學薄膜中記錄有多個衍射結構，該衍射結構具有兩個或多個被角度和光譜復用的區域。該多重復用全息圖適合于把光輻射耦合至高透明平板中，使得光輻射無損耗并通過高透明平板和多重復用全息薄膜。該全息圖的多重復用用來減少全息平面聚光器中的再次耦合(recoupling)損耗。
此高透明平板是多功能的，并按照下述方式實現。首先，它作為全息材料的支撐結構。其次，它為全息材料提供環境防護。第三，它在350至1400納米(nm)波長范圍內提供高的光透射率，這一點對于全息平板聚光器的總效率十分重要。第四，玻璃相對周圍空氣較高的折射率，對于日間太陽角度變化，它將入射角接收角度從160°全角壓縮至大約80°；這樣就減小了對全息結構的角度性能要求。第五，高透明平板作為全息平面聚光器裝置的全內反射(TIR)輔助聚光器。
高透明平板相對空氣更高的折射率，可在高透明平板內提供TIR限制，因此將被收集光的發散限制在平板的厚度內，從而提高了會集度。還可以對高透明平板的厚度進行調節，以減少當被限制的光沿高透明平板傳播時由于TIR所出現的來回反射次數。這是一個非常重要的特征，因為光在高透明平板中能夠傳播的距離的主要限制因素是同一全息結構對光的再次耦合或傳播。光學系統的可逆性發揮作用，而且要求當光向高透明平板的邊緣傳播時，構成HPC的全息光學元件在表面上具有不同的光譜和角度性能。
除了空間多重復用全息光學元件以外，通過把光輻射以小于大約5°的小捕獲角從薄膜入射到高透明平板中，可以降低HPC中的再次耦合損耗。如同這里使用的一樣，從全息薄膜的平面起測量小的捕獲角，并認為小于5°。小捕獲角與高透明平板厚度結合，將進一步減小再次耦合損耗，并且允許把HPC設計成實際大小，以便收集能量。
沒有這些避免再次耦合的特性，就不能使HPC更有效地工作。
本發明的全息平面聚光器通過如下步驟制造(a)將多重復用全息光學薄膜設置在高透明平板的一個表面上；以及(b)采用角度和光譜復用技術在多重復用全息光學薄膜中記錄多個衍射結構。
在本發明的全息平面聚光器中，為了得到全息平面聚光器的預計太陽方位，記錄多個衍射結構。全息平面聚光器設置在該預定的方位上以便收集太陽能，而且至少一個太陽能收集裝置沿該全息平面聚光器的至少一個邊緣設置。適當的太陽能收集裝置的例子包括光生伏打電池和纖維光波導，用于把收集的光傳輸至建筑物內部用于照明目的，和把收集的太陽輻射傳輸至熱水箱用于加熱。
全息平面聚光器允許有效地收集太陽能，而不需要昂貴的跟蹤要求，同時使能量損耗最小。全息平面聚光器的設計和制造簡單，制成的聚光器可以用于濾過UV和IR輻射，以及將太陽能分配給多種太陽能收集裝置，如上所述。
在光通信產業中，利用光全息耦合將光能轉移到波導中。不過，如果HPC工作正常，具有全息結構的HPC需要完成比這多的工作。也就是說，全息結構必需進行空間復用以避免再次耦合，目的是使裝置工作。這與波導應用中的波導耦合器工作方式完全不同。一旦光被衍射至波導中，通信產業中所使用的全息波導耦合器不必尋址透過全息結構的后續通過。克服HPC中的再次耦合損耗是空間多路復用較為復雜的主要原因，采用角度和光譜復用來實現空間復用。
圖5為用于本發明的全息平面聚光器的角度復用多波長記錄方案的示意圖；圖6為本發明的被動式太陽能跟蹤裝置的頂視圖；圖7為圖6中描述的被動式太陽能跟蹤裝置的側面垂直投影圖，說明本發明的一個實施例；圖8為與圖7相似的側面垂直投影圖，不過描繪出本發明的一個可選通過在單個薄膜上生成許多干涉條紋而形成獨特的全息干涉條紋結構。這稱為角度復用，通過這種角度復用技術，許多記錄光束對干涉產生全息結構，該全息結構將接收入射角度范圍內的光，并在與薄膜折射率相似的高透明平板內以不同角度范圍輸出光。
除了角度復用以外，還采用使用多個波長的光譜復用。光譜復用用于增加HPC的光譜帶寬。
空間復用可以用于防止從多重全息光學結構(MHOS)后續反射出來的再次耦合損耗。通過制造具有不同光柵矢量的多個分離的MHOS區域可以實現這個目的。每個MHOS區域具有多個光柵和一定范圍的光柵矢量，入射光前面的區域與光最初來自的區域具有不同的衍射特性。因為不同區域具有基本不同的光柵矢量范圍，當限制在高透明平板內的光在到達高透明平板的邊緣的路徑上通過不同的MHOS區域時，則光不能從HPC耦合出來。
或者通過設計全息圖以小捕獲角如上面所限定的小于大約5°，將光輻射入射到高透明平板中來避免再次耦合損耗。這樣減小了與全息薄膜的后續相互作用的數目，減小光損耗。A.全息介質全息介質是能夠形成體積相位全息圖的任何已知材料類型。幾種已有的薄膜材料類型包括duPont的Omnidex光致聚合物薄膜，Polaroid的Mirage光致聚合物材料，重鉻酸鹽明膠，聚乙烯咔唑光致聚合物薄膜，鹵化銀乳膠和任何其它全息材料。
另外，可以將這些薄膜分層，每層具有不同的角度，光譜和空間復用特性。可以采取兩層或多層設置在高透明平板上的全息薄膜的形式。每個附加膜層必須折射率匹配，以防止全內反射在比高透明薄膜吸收性更高的薄膜層內俘獲光。
可以從duPont和Polaroid得到的商用全息材料已經存在化學和加工性質，允許形成不均勻干涉條紋結構；重鉻酸鹽明膠薄膜也具有形成不均勻干涉條紋結構的化學性質。(不均勻干涉條紋結構是一種從薄膜的前面到后面，干涉條紋間距發生改變的結構)。除這些技術以外，也可以利用光學粘合劑來收縮或膨脹全息結構。當形成多層全息薄膜堆時可以利用這一技術，將全息薄膜粘合到高透明平板上，或為全息薄膜提供一保護層。
本發明的HPC依靠角度、空間和光譜復用技術的組合來實現它的功能，即凝聚光。通過組合這些技術，制造出獨特的MHOS。
1.光損耗為實現該裝置的功能，本發明的HPC要求全息結構空間復用，避免再次耦合。這與波導應用中的波導耦合器的工作方式完全不同。一旦光被衍射進入波導中，用于通信工業中的全息波導耦合器不必尋址通過全息結構的后續通過。避免HPC中的再次耦合損耗是空間復用的復雜性的主要原因，采用角度和光譜復用兩者來實現空間復用。
為了減小結構中的光損耗，使用新技術防止光能損耗。高透明平板可以選擇為任何厚度，但是為了實用的目的，通常在1到15mm厚度范圍內。更厚的高透明平板成本開始變高，而且對于這里公開的應用不實用。假設對平板厚度進行這些限制，并且目標是使通過HPC傳播的光反射次數盡可能少，要求內衍射波矢角度足夠小，使得光被更直接地沿HPC結構衍射。最好是HPC結構的路徑長度與厚度比(PTR)在25到200之間。路徑長度是HPC所收集的光在HPC結構中必須行進以便到達接收器位置的最大距離。
為了使本發明的HPC滿足上述路徑長度與厚度比，必須考慮多個因素。下面列舉了HPC中所使用的用于減小光損耗的技術。
1.HPC結構中光能的吸收有三個來源。第一是高透明平板的吸收。選擇制造高透明平板的材料，使之在350至1400nm光譜范圍內具有低吸收作用。“低吸收”意思是吸收小于10％(高透明的反面的說法，上面已經定義)。第二個吸收源來自薄膜層，因而保持薄膜層盡可能薄和盡可能透明很重要。如同這里使用的一樣，關于膜層的術語“薄”是指厚度小于30μm，而關于膜層的術語“透明”是指內部透射率至少為90％。這里討論的所有薄膜都具有足夠低的吸收。如果使用光學粘合劑，第三吸收源就是光學粘合劑。可以得到吸收非常低的光學粘合劑；在實施本發明中最好使用這種低吸收的光學粘合劑。
2.為了使具有上述PTR的HPC收集光能，內部衍射波矢量必須在1至40°范圍內。單個光柵將衍射寬帶寬內的光，光譜帶寬內的每個波長以不同的波矢量角度衍射。這意味著對于單個光柵彩色角度擴散可能比希望的大。對于單個光柵寬光譜寬度意味著被收集的光有彩色角度擴散。一個這樣的例子是具有100nm帶寬的單個光柵代表收集的光的角度發散為30°。所以隨著裝置帶寬的增加，單個光柵結構是自限的，因為來自光譜段的光將開始損耗，這是由于內部衍射波矢量將超過高透明平板的TIR限制條件。這意味著通過增加HPC裝置的帶寬，必須復用光譜成分，同時保持角度分量在HPC的TIR俘獲角內。這可以通過在復用記錄中保持光柵角度不變而改變光柵間距而實現。這是增加帶寬并保持需要的內部衍射波矢量在HPC的TIR限制之內的一種技術。可以通過單個薄膜光譜復用并保持每個復用記錄的干涉條紋角度固定，而降低角度擴散。因為折射率調制由各個曝光來分擔，所以被收集的能量大致相同，而且最終結果是可以收集更多波長的光，并衍射進入較窄角度范圍內。這意味著更多的能量將被凝聚到接收器。
3.本發明的HPC裝置需要結合高透明平板和折射率與高透明平板匹配得很好的全息薄膜。要求高透明平板與薄膜之間折射率非常好地匹配，以便把光有效地衍射進入高透明平板內，而不在高透明平板/薄膜界面產生大菲涅爾反射。如果折射率不匹配導致大量能量在界面反射，那么能量將被限制在薄膜內，薄膜的吸收系數比高透明平板的吸收系數大得多。為了有效地把光能從薄膜轉移到高透明平板內，薄膜與高透明平板的折射率必須十分接近，彼此相差在3％范圍內。這樣將使得在薄膜中行進較長距離的光量最少。薄膜的吸收通常比高透明平板的吸收高，所以裝置的最佳實施例利用折射率十分匹配以便使衍射光必須通過的薄膜厚度最小。
4.當光通過HPC結構反射時，內部衍射光通過后續與全息薄膜的相互作用的再次耦合是要克服的最大光損耗。然而這可以通過空間復用HPC結構的全息薄膜部分而減少或完全避免。空間復用通過如下方式實現，即通過設計全息光學元件(HOE)的圖案，每個具有略微不同的光譜和/或角度性能。每個空間復用區域的衍射光具有不同的內部衍射波矢量角度和與這些角度相關的不同的光譜帶寬。HOE在角度與波長之間具有直接聯系，所以實際上正是兩者結合確定了是否空間復用從它們的性能角度來說是分離的。這一分離現象意味著來自一個區域的光在后續區域中不被HOE衍射。多重復用區域的尺寸是路徑長度與厚度比值的函數，因為光反射次數決定需要的分離空間復用區域的數目。而且，反射次數由路徑長度與厚度比和內部衍射波矢量確定。B.高透明平板HPC的高透明平板可以由光學透明的玻璃或聚合物制成。術語“高透明”在上面已經定義；光學透明的意思是指玻璃或聚合物至少在大約350至1400nm波長范圍內是這里所定義的高透明的。高透明平板可以是任意厚度或尺寸。高透明平板的最佳材料是低鐵浮法玻璃(low ironfloat glass)，該玻璃用化學方法強化以便提高太陽光透射率。最佳玻璃類型包括Solarphire玻璃和Starfire玻璃，這兩種玻璃都可以從PPG工業公司買到。這些玻璃的內部透射率大約為98％。
高透明平板可以具有平表面或曲表面。最佳尺寸將由應用和大小決定。一個最佳實施例利用6mm厚的低鐵玻璃。而且，全息薄膜和高透明平板的折射率十分匹配很重要，比較好的是二者折射率差值最大大約為3％，最好小于該值。折射率非常匹配允許高透明平板內耦合角度小。
在某些情況下，希望薄膜的折射率比高透明平板的折射率稍微大一點，因為如果折射率不匹配，薄膜的折射率比玻璃的折射率稍大一點是有好處的。所述好處是界面上的菲涅爾反射損耗降低，因此與高透明平板的折射率比薄膜的折射率大相比，提高了耦合效率。然而，這不應構成對這里提出的權利要求的限制因素，因為當以任意一種方式實施時裝置仍可以工作。
在選擇高透明平板和薄膜的折射率時，HPC裝置要有效地工作需要許多重要參數。HPC裝置的性質導致它本身有許多應用，因此導致裝置的實施例有許多變化。本專利的意圖和范圍是包括這里描述的全息結構的所有變型。


圖1-5描繪了本發明所披露而且在上面引做參考的美國專利5,877,874的基本實施例的一個例子，其中示出全息平面聚光器10包括高透明平板12和全息薄膜14。全息薄膜14設置在高透明平板12的一面12a上，該面與太陽能入射面12b相對。
通過高透明平板和全息薄膜折射率的仔細選擇，能夠允許以非常小的角度把光耦合至高透明平板內，如圖1所示。可以看到由光線16、16’和16”表示的光以入射角θin入射，并以角度θout耦合至高透明平板12內，分別成為光線18、18’和18”。記錄在全息薄膜14中的獨特的衍射光柵控制角度θout，關于獨特衍射光柵將在下面詳細描述。如同下面將示出的一樣，較大的接收角θin可以以較小的角度θout耦合至高透明平板12內。
圖2描繪了一個前述類型的例子，其中選擇全息薄膜14的折射率比高透明平板12的折射率大0.001。這意味著使用6毫米厚(t)的高透明平板12和2度俘獲角導致耦合后的光線18第二次到達全息薄膜14之前光路長度(1)為343毫米；這種組合提供的PTR為57.2。這樣描繪出避免HPC裝置10中再次耦合損耗的一種方法。應該理解玻璃厚度與俘獲角影響裝置的有效尺寸。這里討論的光路長度考慮到HPC技術的許多實際應用。
在本發明的另一實施例中，俘獲角不限于小角度，而是在空間復用技術中角度的組合，如圖3所示。如上所示，術語“小俘獲角”是指小于大約5度的角。
該全息薄膜包括多個區域，表示為14、114、214，光線16、16’和16”入射到每一區域上，如上所述。每個區域14、114、214具有不同的衍射光柵，導致一系列耦合至高透明平板12內的光線的角度θout，這些角度可以彼此相同或不同；然而，在每種情況下，該系列中中間光線18’、118’、218’與由全息薄膜14限定的平面所成的角度都不同。
空間復用技術允許從全息結構發生多個反射，因此可以使用較大的俘獲角。這種方法降低了對高透明平板與全息薄膜折射率十分匹配的需要。作為一個例子，在使用非常小的俘獲角的情形中，折射率之間良好匹配只存在0.01％的差別，而對于空間復用的情形，最不匹配的方案中折射率可以相差達3％。
空間復用所述復用全息光學結構(MHOS)可以制成工作光路較長的HPC裝置，因此增加了HPC平板的功能尺寸，并且增加了HPC裝置可以應用的領域。空間復用HPC全息結構也可以避免角度復用并凝聚收集的光時，光束簡并的限制因素。還可以利用線聚焦模式而不是點聚焦模式中的HPC裝置來避免光束簡并。
可以通過設計HPC裝置以便在玻璃折射率與全息薄膜的折射率匹配的波長處工作，來使全息薄膜與高透明平板之間折射率不匹配的材料色散影響最小化。不同的正常材料色散將導致在不同于設計波長的其它波長處玻璃與薄膜的折射率出現差異。色散對薄膜與玻璃之間折射率的全面匹配的影響在于折射率匹配實際上表示選擇光譜范圍上的平均匹配。C.全息記錄過程通過將一層或多層全息薄膜設置在一光學高透明平板的一個面上而制成本發明的HPC。全息薄膜設置在與入射光相反的一個面上。在折射率匹配環境下執行主MHOS的記錄；這些技術是本領域技術人員公知的。“折射率匹配環境”是指這種幾何結構中所使用的在記錄激光波長處非常透明的并且與薄膜的折射率相匹配的適當的材料，允許激光束以非常小的角度在薄膜中傳播。有許多中方法把激光束以小角度射入材料中，這些方法都要求折射率匹配。不同的技術使用玻璃塊、棱鏡和容器中的液體。該技術用于形成主全息圖，但是一旦主全息制造完畢，僅要求被復制的薄膜與主平板的折射率匹配。復制也要求在主平板與復制薄膜折射率匹配的環境下進行記錄，但是對于大規模生產該過程是一個比較簡單的過程。
在一個實施例中可以使用裝有折射率匹配液體的液體閥門(liquid gate)或容器，將全息圖和附有全息圖的高透明平板設置在其中用來曝光，如圖4所示。容器中的折射率匹配液體應該在全息薄膜和高透明平板的折射率的大約12％范圍內。最好是，采用折射率稍微大于薄膜和高透明平板的一種液體。液體和高透明平板/薄膜之間匹配的越好，將產生噪音越少的光柵。
圖4示出的HPC10包括高透明平板12和全息薄膜14，浸入裝有液體22的容器20中，液體22的折射率基本上與高透明平板12的折射率相同。物光束22a-22e入射在高透明平板12的上表面12b上，而參考光束24a-24e入射在全息薄膜14的曝光表面14a上。字母表示記錄對符號。物光束22a-22e和參考光束24a-24e由全息記錄領域公知的技術產生，不構成本發明的一部分。
折射率匹配容器提供了這樣一種環境以便減少從界面和其它表面所散射的雜散光的數量。通過使記錄過程中光學噪音量最小化而提高了MHOS的質量。
使用多個激光束來記錄獨一無二的全息結構，將接收來自一定范圍的入射角的光，并沿著光學高透明平板傳播光。一旦光在高透明平板內，只要光不與同一全息結構發生任何后續的相互作用光就被俘獲。記錄過程是角度，光譜和空間復用的組合，可以使用本領域技術人員公知的多種方法來實現。
在制造HPC時可以使用多對具有不同角度和波長的激光束，這些激光束可以是準直的，發散的，會聚的或波前的組合，如圖5所示。每對記錄波前具有一個模擬日間小范圍太陽角的物光和一個模擬所需再現(凝聚的)波前的參考光。對于記錄幾何結構沒有一個最佳實施例，因為對于給定應用或位置而言所需的再現位置發生改變。因為HPC的安裝方位和它在地球上的安裝位置將發生變化，HPC具有對于不同的入射角范圍和不同的光譜收集要求進行記錄的優點。例如，HPC可以垂直或傾斜安裝于所需的位置緯度。另外，入射角范圍可以選擇得非常小或非常大，依賴于可提供的照明類型和想要的輸出光譜而定。
光束記錄幾何結構隨光柵設計而不同。對于在676nm和514nm激光波長處記錄的多重復用薄膜而言，入射角范圍將是在介質中與垂直方向成正或負45度角，和在介質中與垂直方向成100°至140°角。從該角度范圍內選擇光束對以便產生所需全息結構，目的在于對于給定位置和安裝方位俘獲和凝聚所需太陽能。一個最佳實施例使用了兩個記錄對，一對的角度為30°和100°，另一對的角度為-30°和130°。
雖然HPC可以用于被動式或主動式跟蹤模式，但是角度復用的使用允許使用被動式跟蹤，這樣簡化了整體結構并降低了成本。作為被動式跟蹤最佳實施例的例子，HPC光生伏打板相對于安裝緯度傾斜安裝，而且接收中心角垂直于HPC前表面。然后角度記錄盡可能模擬日間太陽大約160°的變化和45°季節太陽角的變化。這代表多個記錄對，每對以大約10°間隔發射它們的物光。
如前所述，所記錄的全息圖包括角度和光譜復用。通過在全息薄膜上劃定不同區域而實現空間復用，如同下面將詳細描述的一樣，并且使用圖5描述的方法在每個區域中記錄角度和光譜復用。耦合到一個空間區域中高透明平板12內的光不與另一空間區域中的全息薄膜14相互作用。使用區域的組合從根本上避免了再次耦合損耗，再次耦合損耗是限制在高透明平板內的光與全息薄膜的多次相互作用產生的。空間復用方法產生更高的效率，能夠制造更大的HPC裝置。
可以使用高斯或非高斯形狀光束來記錄MHOS。使用不同的光束形狀考慮到全息薄膜上曝光強度的控制。這轉換為控制最終MHOS的衍射效率。全息薄膜上的激光能量的強度對控制MHOS的再現效率十分重要，因為全息記錄的質量部分是由照射全息薄膜的曝光能量的強度確定的。薄膜上記錄能量的強度應該基本上是均勻的，這意味著強度的改變不超過大約±10％。不同全息薄膜材料需要不同的曝光條件，而且對曝光強度更敏感。不大于大約±10％的均勻性是成功制造HPC裝置的原則，對于每種類型的全息薄膜材料而言理想的曝光均勻性是不必要的。
也可以使用多于一層的全息薄膜來制造HPC10。通過使用衍射全息結構，可以使用多層薄膜。本質上，藍色光子僅與對太陽光譜的藍光部分敏感的MHOS發生相互作用，紅色光子僅與對太陽光譜的紅光部分敏感的MHOS發生相互作用。
能夠從很窄(幾納米)到很寬(幾百納米)的光譜性能范圍內制造全息反射結構。這就允許制造光譜帶寬選擇尺寸在這些范圍內的反射全息薄膜。D.多重復用全息光學結構1.角度復用本發明的HPC使用角度復用在單個薄膜中取得多個反射型體積相位全息圖。對于角度復用存在許多技術，這些技術對于本領域技術人員是已知的。最佳實施例利用準直的和發散記錄波前，盡管也可以使用會聚波前。波前從全息薄膜相對兩個表面入射，產生反射型體積相位全息結構，如圖4和5所示。另外，可以選擇波前的偏振態以得到最大的條紋對比度。
可以利用幾個不同激光波長或一單一波長來產生MHOS，在使用單一波長時調節記錄角度以便在所需波長處進行再現。可以使用單波長記錄來模仿多光譜記錄，通過調節復用的參考光與物光束的記錄角，使得在一個角度的記錄光束被設計成在一不同角度和不同波長再現。這是由于衍射結構中角度與波長之間的關系。另外，如果需要可以使用多于一個的全息薄膜，并且應用在第一全息薄膜之上。可以使用附加的薄膜來增加角度性或增大HPC的光譜帶寬。
角度復用單個波長可以在記錄波長處產生角度性能，而且在其它波長處產生不同的角度性能。最后的效果為具有增強光譜特性的單波長記錄。
2.光譜復用為了增加HPC裝置的光譜帶寬，可以使用本領域已知的技術來增強MHOS的光譜敏感性。可以使用多個激光波長以及多個角度入射來記錄全息結構。使用多個波長記錄具有增加MHOS的光譜敏感性的優點。除了使用多個波長記錄之外，還可能非線性地收縮或MHOS；這就導致一系列間距變化的干涉條紋的產生。具有改變間距的干涉條紋具有增加HPC裝置的光譜帶寬的效果。
3.空間復用
MHOS的每個區域具有多個光柵和一定范圍的光柵矢量。不同區域的光柵矢量范圍基本上不同，從而當被限制在高透明平板內的光在通向高透明平板12的邊緣的路徑上照射到MHOS區域時，不被耦合出HPC。
為了避免從MHOS相繼反射所產生的再次耦合損耗，使用空間復用方法。在HPC的本實施例中，MHOS被分成多個不同區域，在光前進方向前方的區域的布拉格角與光正照射的區域的布拉格角不同，如圖3所示。這種技術防止了再次耦合損耗，因為對于被限制在高透明平板內的光從MHOS的后續反射照射全息結構，所述全息結構的光柵矢量與光被最初衍射的空間區域的光柵矢量基本上是不同的。
4.其它需要考慮的事項高透明平板12與全息薄膜14區域的結合物理上形成了整個光俘獲結構10。在MHOS中要求空間復用的理由是因為光18必須通過全息薄膜14并從空氣/薄膜界面反射回來繼續由TIR限制在結構10中。要求光18保持在整個結構10中以便傳送到接收器(圖中沒有示出)。為了把光16傳送至玻璃或聚合物高透明平板12內，要求折射率非常好地匹配以便確保光通過薄膜14反射回薄膜/空氣界面。本發明需要相當大的區域，從而光程長，成為好的太陽能聚光器。這一點在上面關于特定實施例結合圖2進行了討論，圖2描繪出厚6mm，光程為343mm的玻璃。任何較大的角度需要額外地一次或多次通過薄膜14。空間復用允許區域14、114、214具有不同的全息性能，從而不與來自前一全息區域的前進光相互作用。E.多層全息(三明治全息)光學薄膜根據本發明，如圖6-9所示，全息平面聚光器10’包括兩個高透明平板12、12’，每個高透明平板具有至少一個全息薄膜14、14’。至少一個光接收裝置30，如光生伏打電池，與全息光學薄膜14、14’相結合。
圖6描繪出頂視圖，表示兩個光接收裝置30，每個光接收裝置與一對全息光學薄膜14相關。通過導電路徑32如導線將光生伏打電池30彼此電連接，具有到外部的輸出端34、36。箭頭38表示通過全息光學元件14從太陽輻射向光生伏打電池30引導的光。
當初始沿東(E)-西(W)方向定向并面向南方時，這些圖中描述的HPC提供了太陽的被動式跟蹤。電池本身可以水平或垂直定向。或者，還可以采用主動式跟蹤，來處理太陽位置的每天的改變。這種結構也提供了光生伏打電池30的基本上均勻的照明。
圖7為圖6中所示裝置的側面垂直投影圖，說明了夾在兩個全息光學薄膜14、14’之間的光生伏打電池30，每個全息光學薄膜分別形成在高透明平板12、12’上。不過，應該理解到光生伏打電池30必須與一個全息光學薄膜相鄰。通過光學粘合劑40將光生伏打電池30固定在兩個全息光學薄膜14、14’上，光學粘合劑40還填充在光學薄膜之間光生伏打電池沒有擴展到平板12、12’的邊緣而留下的任何間隙。光學粘合劑40可以包括任何在HPC10’所接收的波長范圍上透明的光學結合劑。這種光學粘合劑的例子包括光學環氧樹脂，光UV-固化環氧樹脂，乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)，聚氨基甲酸酯，和其它光學粘合劑。
圖7中表示的光生伏打電池30是雙面的(bi-facial)。也就是，光生伏打電池30在兩個主表面30a，30b上均具有柵格。在兩個表面30a，30b上接收光(太陽輻射)，與僅采用一個全息光學薄膜相比，電池尺寸減小，因此降低成本。
如圖8所示，光生伏打電池30也可以設置在最底部的透明板12’上(距離入射太陽輻射最遠的平板)。光學粘合劑40將兩個全息光學薄膜14、14’在它們的曝光表面處固定在一起。分開的光學粘合劑(圖中沒有示出)將光生伏打電池30固定到透明板12’的底部。該分開的光學粘合劑是一種還能夠導熱的粘合劑。散熱片42可設置在光生伏打電池30的與透明板12相對的一側，用于對電池進行散熱(將熱從電池傳導開)。散熱片42最好包括一種在這種應用中通常所采用的金屬，如鋁或銅。在這種結構中，如同此處所披露的所有結構，還可能去除全息光學薄膜14、14’其中的一個。因此，在光生伏打電池中至少采用一個全息光學薄膜。
圖8中表示的光生伏打電池30是單面的(mono-facial)。也就是，光生伏打電池30在一個主表面30a上具有柵格。另一個主表面30b可以被固定到散熱片42。
在圖7和8兩個圖中，每個透明板12、12’，作為例子，為3mm厚。最好是，透明板12、12’包括一種適合的透明玻璃。在圖9中，描繪出另一個實施例，其中采用了單個透明板12，最好是玻璃，該透明板具有兩倍于圖7和8中透明板12、12’的厚度。圖9描繪出一種與圖7類似的結構，不過采用透明聚合物板12”而不是透明板12’。透明聚合物板12”較好地是包括丙烯酸酯，異丁酸酯，聚對苯二甲酸二乙醇酯(PET)，聚碳酸酯等。透明聚合物板12”具有0.004英寸(0.1mm)的量級，與之相比，較厚的玻璃透明板12大約為6mm厚。或者，可以采用薄玻璃板12”來代替聚合物板。
圖9中所描述的光生伏打電池30為單面的。也就是，光生伏打電池30在一個主表面30a上具有柵格。因為圖9中的光生伏打電池是單面的，透明聚合物板12”應該盡可能地薄，為小于大約2mm的量級。
圖6-9中所描述的HPC的一個優點在于它們能夠提供低成本制作。另外，HPC可以調節成任何所需尺寸。一般，全部窗口的電池所占有的表面面積為大約5到60％，不過這個數值可以更小或更大，取決于特定應用。
可以在HPC10’的周圍使用邊封(圖中沒有示出)來密封光生伏打電池。可以使用任何傳統的防潮材料，如聚氨基甲酸酯，硅酮等作為防潮材料(濕度隔絕材料)。
F.裝置的操作本發明的全息平面聚光器與傳統的兩級聚光器的作用一樣，所述兩級聚光器折疊到集光裝置的平面中。來自接收角范圍內的入射光通過光學高透明平板，并且被多重復用全息結構所反射/衍射，把光俘獲在平板內并把光傳播至平板的一邊或平板一邊的聚焦區。另外，可以制造具有幾個HPC全息結構的較大平板，具有多個聚焦區位于平板的不同側面上或聚焦在平板的角上。對于許多應用而言，可以使用這種基本操作方案作為主要的構件塊(building block)。
圖10是截面圖，表示光從太陽到太陽能電池的運動，以及電池的間距。作為例子，光生伏打電池30可以是0.75至1英寸寬(w)，電池之間的電池間距(s)為大約0.75至4英寸。
HPC裝置相對傳統聚光器的一個主要優點在于它能夠收集來自一大范圍入射角的光，同時被安裝在一固定(非跟蹤式)結構中。為了獲得這種能力，HPC裝置利用多重復用全息結構以及高透明平板的TIR俘獲。這種兩級聚光器方法以與某些依賴光的TIR限制的非成象光學聚光器相似的方式進行工作。正是獨特的多重復用全息結構與TIR限制的結合，結合成本發明的新穎的聚光器。就易于制造和低材料成本而言，HPC具有諸多優點。
另外，HPC可以用來聚集來自太陽的直接光或漫射光，如多云天氣的光或從周圍環境所反射的光。HPC意在收集基本上所有的太陽光譜，特別是大約350至1400nm范圍內的太陽光譜。
HPC產品的三個主要應用為(1)太陽能發電，(2)使用自然太陽光進行自然采光，以及(3)將前面任何或所有應用與從太陽光中濾除紫外和紅外能量相結合的窗口。下面描述這三個主要應用。1.HPC光生伏打板圖6-9中所描述的裝置利用光生伏打電池將被凝聚的光轉變成電。可以使用任何數量的不同光電轉換裝置，可以將HPC的輸出光譜設計成與轉換裝置的帶隙非常匹配，以便減小光生伏打電池所需的冷卻。
HPC-PV板的優點包括如下幾點1.被動式跟蹤聚光器。
2.兩級光捕獲。
3.多個平板的實施例，設計靈活。
4.選擇帶寬能力以使熱量浪費最小，設計特征。
5.透明HPC允許在PV板后附加薄膜或聚光裝置，從而使有關結構要求和占地要求的成本最小。
6.在焦點處安裝整體PV陣列。
7.由于聚光區域的均勻照明可能使用串聯電池；這是由于HPC聚光器非成象行為的結果。2.HPC天窗/窗口在HPC技術的另一應用中，可以單獨使用HPC從太陽能產生電，還可以用做一個窗口或天窗，允許太陽光進入建筑物中。HPC天窗的優點包括1.被動式跟蹤聚光器。
2.在照明建筑物內部的同時發電。3.結合上面特點的窗口圖11描繪出采用多個HPC窗口10’的建筑物44，使用一個或多個上述裝置。另外，可以使用包括HPC窗口10的天窗46或分離的太陽能平板48，或者是以太陽能板的形式安裝在屋頂上，或者由地面支持。太陽能平板42可以使用完全地被動式跟蹤或主動式跟蹤裝置，這些裝置是本領域眾所周知的，因此在此不再示出。可以在建筑物44的東面，南面和西面采用HPC窗口10’，來聚集直接和非直接的太陽輻射，在建筑物的北面(在北半球)或在建筑物的南面(在南半球)設置HPC窗口10’來聚集非直接太陽輻射。實例例1已經將包含粘合在低鐵玻璃平板上的多重復用(角度，光譜和空間)全息薄膜制成具有大接收角度。將明膠全息薄膜涂布在3mm厚的低鐵玻璃(Solarphire玻璃)平板上。使用波長為488nm的氬離子激光器將全息光學元件記錄在薄膜中。然后使用Springborn實驗室的EVA粘合劑將該薄膜平板粘合到另一個3mm厚低鐵玻璃平板(Solarphire玻璃)上。EVA是光生伏打模塊結構中通常所使用的一種粘合劑。然后使用NOA61光學粘合劑將光生伏打電池粘合到玻璃的后表面上。然后通過使用傳統的3M高粘性雙面膠帶將一薄鋁板粘合到電池的后面來保護電池的后表面。測得該裝置為6英寸乘9英寸大小。PV電池為1英寸寬，4英寸長。全息區域擴展到電池的邊緣之外，路徑為1.5英寸。刮去平板周圍0.25英寸的明膠薄膜，一旦層合完該裝置，在刮去明膠薄膜的0.25英寸寬度內提供EVA粘合劑對玻璃進行密封。這種密封保護明膠薄膜不受水分的影響。使用聚氨基甲酸酯粘合劑在層合板的外部周圍設置一另外的密封。HOE收集波長為大約400至900nm垂直入射的光。峰值衍射效率為60％。測得該裝置的電轉換效率為5.1％。該裝置聚集來自160°每日角度變化和入射角中45°季節變化的能量。例2與例1中所描述的相同的方式構成一雙層全息薄膜層狀裝置，差別僅在于附加的全息薄膜層加在第二片玻璃上。由于HOE中的差異，這兩個薄膜層聚集來自太陽光譜的不同部分的能量。兩個薄膜組合成的堆形成了一角度和空間復用裝置，用于聚集寬入射角范圍內的太陽能。第一薄膜聚集光譜的可見部分(大約400至700nm)中的能量，第二全息圖聚集紅外能量(大約700至1100nm)。峰值衍射效率為65％。測得該裝置的電轉換效率為6.1％。該裝置聚集來自160°每日角度變化和入射角中45°季節變化的能量。
上面的描述包括許多特殊細節，這些不應該構成對本發明范圍的限制，而是作為本發明的一個最佳實施例的例子。可以進行多種其他的變型。例如，對全部顏色記錄敏感的單一全息薄膜將允許在一個薄膜中進行光譜復用，可以使用32個光束對進行角度復用，每5°太陽角度變化一對光束。然后可以對該薄膜進行非均勻膨脹來增加光譜帶寬。另一種變型可以是僅使用少數幾個角度復用光束，僅對每天的有限數量的小時的光進行聚集。也可以使用全顏色記錄薄膜和非均勻膨脹來實現。因此，本發明的范圍不應該僅由所描述的實施例確定，而是由所附權利要求和它們的合法等效范圍確定。
權利要求
1.一種用于收集和凝聚光輻射的全息平面聚光器(10’)，所述全息平面聚光器(10’)包括(a)至少一個高透明平板(12，12’)；(b)至少一個設置在該高透明平板(12，12’)的一個表面(12a)上以形成光導結構的多重復用全息光學薄膜(14，14’)，所述至少一個多重復用全息光學薄膜(14)中已經記錄了具有兩個或多個被角度和光譜復用的區域(14，114，214)的多個衍射結構，所述多重復用全息圖適于將所述光輻射耦合到所述高透明平板(12，12’)中，使得所述光輻射無損耗地通過所述高透明平板(12，12’)與所述多重復用全息光學薄膜(14，14’)，所述多重復用全息薄膜(14，14’)被復用以減小所述全息平面聚光器(10’)中的再次耦合損耗；以及(c)至少一個光生伏打電池(30)，固定在所述至少一個多重復用全息光學薄膜(14，14’)下面，固定在與太陽輻射的入射相反的一側，通過記錄在至少一個薄膜(14，14’)中的至少一個所述多重復用全息光學元件，將每個這種光生伏打電池(30)進行橫向界定。
2.如權利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，包括至少兩個固定在所述至少一個多重復用全息光學薄膜(14，14’)下面的光生伏打電池(30)。
3.如權利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，包括兩個透明平板(12，12’)。
4.如權利要求3所述的全息平面聚光器(10’)，其中每個所述透明平板(12，12’)具有一固定其上的所述多重復用全息光學薄膜(14，14’)，所述透明平板(12，12’)通過所述多重復用全息光學薄膜(14，14’)固定在一起，其中一個所述透明平板(12)包括一頂板，所述太陽輻射最初入射在該頂板上，另一個所述透明平板(12’)包括一底板，所述太陽輻射在通過所述頂板(12)之后入射在該底板上。
5.如權利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述全息平面聚光器(10’)被安裝在一固定的位置，以提供對太陽的被動式跟蹤。
6.如權利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述全息平面聚光器(10’)安裝在一跟蹤裝置上，適于每日或每季節或者包括兩者對太陽進行跟蹤。
7.如權利要求1所述的全息平面聚光器(10’)，其中所述高透明平板(12，12’)具有第一折射率，所述全息光學薄膜(14，14’)具有第二折射率，且所述第一和第二折射率之間的折射率差不大于大約3％。
8.一種使用權利要求1所述全息平面聚光器(10’)的方法，該方法包括(a)采用角度和光譜復用技術在所述多重復用全息光學薄膜(14，14’)中記錄所述多個衍射結構，將所述記錄設計成使所述全息平面聚光器(10’)的預定的方向朝向太陽能方向，所述多重復用全息光學薄膜(14，14’)適于將所述太陽能耦合到所述高透明平板(12，12’)中；并且，以任一種順序，(b)將所述全息平面聚光器(10’)安裝成所述預定取向來收集太陽能；以及(c)在至少一個所述高透明平板(12，12’)和至少一個所述多重復用全息光學薄膜(14，14’)的下面安裝所述至少一個光生伏打電池(30)。
9.如權利要求8所述的方法，其中進行所述記錄，以便(a)所述薄膜能夠以小俘獲角將光輻射射入所述高透明平板中，或(b)提供兩個或多個被不同角度復用以及空間復用的區域，(c)包括兩者，從而減小所述高透明平板的再次耦合損耗。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述高透明平板包括玻璃片或一種光學透明的聚合物，并被垂直安裝在建筑物的一側作為一窗口。
全文摘要
提供了一種用于收集和凝聚光輻射的全息平面聚光器(HPC)(10’)。該全息平面聚光器(10’)包括一高透明平板(12,12’)和至少一個安裝在其一個表面上的多重復用全息光學薄膜(14,14’)。該多重復用全息光學薄膜(14,14’)中記錄了多個具有一個或多個角度和光譜復用的區域(14,114,214)的衍射結構。可以將兩個或多個區域(14,114,214)構造成可提供空間復用。將多個衍射結構的記錄設計成將全息平面聚光器(10’)的預定取向朝向太陽能方向。至少一個太陽能聚集裝置(30),如光生伏打電池,被安裝在所述全息光學薄膜(14,14’)的下面。通過該全息薄膜(14,14’)和全內反射將光輻射導向平板內,聚集在太陽能聚集裝置(30)上。
文檔編號G02B5/18GK1358333SQ00809536
公開日2002年7月10日 申請日期2000年5月25日 優先權日1999年5月28日
發明者格來恩·A·羅森伯格 申請人:特爾雷森有限責任公司